一種基于單片機(jī)智能控制的云臺(tái)設(shè)計(jì)

陳超,楊毅,李遠(yuǎn)軍,鄧華德,王先春

摘 要：為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控更智能和節(jié)能的目的，采用單片機(jī)與傳感器結(jié)合控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的智能控制云臺(tái)。該云臺(tái)只在有人進(jìn)入傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)才工作，且能根據(jù)傳感器采集的信息計(jì)算出人的位置，從而控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤監(jiān)控，無需人控制，成本低，與現(xiàn)在市面上的云臺(tái)相比更智能和節(jié)能，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。在研究分析后做出了實(shí)物，經(jīng)測(cè)試該云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)有人時(shí)工作和自動(dòng)追蹤監(jiān)控，驗(yàn)證了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)； 傳感器； 步進(jìn)電機(jī); 智能控制

中圖分類號(hào)：TN87-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0149-04

Design of PTZ Based on SCM Intelligent Control

CHEN Chao,YANG Yi,LI Yuan-jun,DENG Hua-de,WANG Xian-chun

(Hunan University of Arts and Science,Changde 415000,China)

Abstract： To achieve the purpose of more intelligent control and energy-saving,using SCM and sensor to control the rotation of stepping motor method for designing a SCM-based intelligent control PTZ. The PTZ only working in the condition of that someone enter a sensor monitoring area,and figuring out position according to information collected by sensors to control PTZ rotation and achieve automatic tracking control. It has low cost and strong practical value,and is more intelligent and energy-saving. This scheme is feasible and can achieve automatic tracking control.

Keywords： SCM； sensor； stepping motor; intelligent control

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種各樣的監(jiān)控?cái)z像裝置被應(yīng)用于社會(huì)的諸多方面，為實(shí)現(xiàn)全方位準(zhǔn)確監(jiān)控?cái)z像，很多攝像頭都配上了云臺(tái)。云臺(tái)一般分兩類，一類是做高速運(yùn)轉(zhuǎn)的球形攝像機(jī)，價(jià)格昂貴；另一類是以兩個(gè)交流或直流電機(jī)組成的安裝平臺(tái)，通過控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)端可以控制其水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，這樣的云臺(tái)控制起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不節(jié)能。為此，在做一定的市場(chǎng)調(diào)研后，結(jié)合已有技術(shù)設(shè)計(jì)出一款基于單片機(jī)智能控制的云臺(tái)。該云臺(tái)能根據(jù)設(shè)防區(qū)域內(nèi)安裝的多個(gè)傳感器采集的信息去控制由步進(jìn)電機(jī)組成的云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，只要入侵者進(jìn)入設(shè)防區(qū)域云臺(tái)就工作，人移動(dòng)超過一定的距離，電機(jī)就轉(zhuǎn)帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，始終保持人在監(jiān)控?cái)z像頭的視角范圍中心區(qū)域。整個(gè)工作過程全智能化，無需人操作，且步進(jìn)電機(jī)易于控制轉(zhuǎn)動(dòng)度數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)精確，可實(shí)現(xiàn)全方位準(zhǔn)確監(jiān)控?cái)z像，使用方便節(jié)能。

1 系統(tǒng)組成

該智能控制云臺(tái)系統(tǒng)主要由人體紅外傳感器、主控芯片、驅(qū)動(dòng)電路、四相步進(jìn)電機(jī)組成，框圖如圖1所示。在該系統(tǒng)中，多個(gè)傳感器以云臺(tái)為中心組成多點(diǎn)信號(hào)監(jiān)測(cè)電路，采集云臺(tái)四周(設(shè)計(jì)為八個(gè)方向，每個(gè)方向?yàn)?5°的扇形區(qū)域)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)，輸入主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，主控芯片再輸出一定數(shù)量的脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)追蹤監(jiān)控。

圖1 整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片與驅(qū)動(dòng)電路

AT89C52是Atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS微處理器，片內(nèi)帶8 KB的可反復(fù)擦寫只讀程序存儲(chǔ)器，共有4個(gè)八位I/O接口，功能強(qiáng)大。L298N是SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片，能產(chǎn)生四相控制信號(hào)，輸出功率強(qiáng)，可用于控制兩相、三相和四相步進(jìn)電機(jī)，易于與單片機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制。

設(shè)計(jì)中以AT89C52為主控芯片，在軟件的配合下用P0,P1口作為傳感器信號(hào)輸入口，掃描多點(diǎn)(設(shè)計(jì)為16點(diǎn)，也可視具體情況擴(kuò)展)紅外傳感器的監(jiān)測(cè)信息，信息經(jīng)運(yùn)算處理后，通過P2口輸出脈沖給L298N組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，從而帶動(dòng)云臺(tái)上的攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度(水平方向?yàn)?5°的倍數(shù)，最小45°，最大315°;豎直方向?yàn)?5°的倍數(shù)，最小15°，最大75°，可通過軟件修改)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。電機(jī)選用四相步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)用四位I/O口控制，所以P2口低四位控制水平方向電機(jī)，高四位控制豎直方向電機(jī)。水平和豎直方向電機(jī)除轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同，驅(qū)動(dòng)原理完全一樣。

圖2所示為主控芯片與水平方向驅(qū)動(dòng)電路，在電路中為避免電機(jī)工作時(shí)對(duì)單片機(jī)的干擾，驅(qū)動(dòng)中加入反相器和光耦進(jìn)行隔離，使單片機(jī)穩(wěn)定可靠工作。

圖2 主控芯片與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 人體紅外傳感器采集電路

PIR是一種能以非接觸形式檢測(cè)出人體或動(dòng)物輻射的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出的傳感器。BIS0001是一種高性能的信號(hào)處理集成電路，由運(yùn)算放大器、電壓比較器、延遲時(shí)間和封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成，它與PIR和少量外接元器件可構(gòu)成被動(dòng)式的人體紅外傳感器采集電路。

圖3所示為人體紅外傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)電路，電路中PIR采用LHI778來監(jiān)測(cè)人體紅外信號(hào)，采集的信號(hào)經(jīng)BIS0001放大處理后以高低電平的形式輸出給單片機(jī)運(yùn)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)防區(qū)域的信號(hào)采集。設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)電路中可通過調(diào)節(jié)精密電位器RP1調(diào)節(jié)PIR探頭的靈敏度，實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)距離的控制，默認(rèn)為5 m；調(diào)節(jié)RP3控制信號(hào)的輸出延時(shí)時(shí)間(Tx)，Tx≈49 152×R8RP3C5,默認(rèn)為Tx≈1 s；調(diào)節(jié)RP2控制信號(hào)的輸出封鎖時(shí)間(Ti),監(jiān)測(cè)電路在這個(gè)時(shí)間里輸出低電平，Ti≈24×R5RP1C7，默認(rèn)為1.2 s，所以結(jié)合Tx和Ti可控制監(jiān)測(cè)電路的探測(cè)周期。實(shí)物中對(duì)PIR探頭做了兩種處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)其監(jiān)測(cè)面積的控制。當(dāng)套用自制的金屬框時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)半徑為5 m，45°的扇形區(qū)域的探測(cè)，套用內(nèi)徑為7 cm的空心金屬套筒時(shí)，探測(cè)范圍變成一條長(zhǎng)約5 m的直線。經(jīng)多次驗(yàn)證證明該傳感器達(dá)到設(shè)計(jì)功能。

2.3 攝像頭安裝平臺(tái)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，精度高，且步距角越小，輸出轉(zhuǎn)矩越大，帶負(fù)載能力越強(qiáng)。

設(shè)計(jì)中采用四相步進(jìn)電機(jī)，它有三種工作方式：?jiǎn)嗡呐?、雙四拍、八拍,四拍時(shí)步距角為1.8°,八拍時(shí)步距角為0.9°?？紤]到對(duì)步距精度高和輸出轉(zhuǎn)矩大的要求，使電機(jī)工作于八拍方式，按(A-AB-B-BC-C-CD-D-AD-A)依次通電，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反方向通電就反轉(zhuǎn)，可通過控制每個(gè)脈沖之間的通電時(shí)間來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。攝像頭安裝平臺(tái)由一個(gè)豎直放置和一個(gè)水平放置的步進(jìn)電機(jī)組成，即云臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)上下和左右轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)攝像頭實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制部分軟件采用C語言在keil環(huán)境中編寫，所設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4所示。

初始化主要是對(duì)單片機(jī)內(nèi)部變量的賦值及輸入端、輸出端的清零。在無人闖入傳感器檢測(cè)區(qū)域時(shí)，單片機(jī)一直處于掃描輸入信號(hào)狀態(tài)，傳感器輸入到單片機(jī)的信號(hào)一直為低，當(dāng)有人進(jìn)入任意傳感器檢測(cè)區(qū)域時(shí)，相應(yīng)傳感器輸出為高電平，單片機(jī)開始從P0口的低位到P1口高位逐位進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到某位為高時(shí)，立即保留該值并與上一次保留的值或初始位置值進(jìn)行計(jì)算，得出現(xiàn)在人所在位置與上一位置的位置差。如果等于0則繼續(xù)掃描輸入信號(hào)；如果大于0則依據(jù)差值調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一定的角度；如果小于0則依據(jù)差值的絕對(duì)值調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)一定的角度，從而帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)。始終使入侵者當(dāng)前位置為攝像頭的視角范圍中心區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)智能全方位監(jiān)控。水平和豎直步進(jìn)電機(jī)軟件控制流程相同，只是對(duì)采集信號(hào)的處理運(yùn)算方式和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同。

圖3 人體紅外傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)電路

圖4 主控單片機(jī)程序流程圖

4 功能測(cè)試

4.1 測(cè)試結(jié)果

在軟件調(diào)試成功后，進(jìn)行了實(shí)物制作，經(jīng)功能測(cè)試驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)要求。測(cè)試中監(jiān)測(cè)了以云臺(tái)為中心八個(gè)方向，每個(gè)方向?yàn)?5°的扇形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)兩個(gè)點(diǎn)，共16個(gè)點(diǎn)的信息，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)功能。圖5所示四幅圖像為有人進(jìn)入時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)攝像頭(電腦攝像頭模擬)所拍攝的視屏部分畫面截圖。測(cè)試中以A1A2,B1B2,C1C2,D1D2,E1E2,F1F2,G1G2,H1H2分別代表八個(gè)方向，下標(biāo)1表示距離中心最近的一圈探測(cè)點(diǎn)(如A1~H1)，下標(biāo)2表示離中心稍遠(yuǎn)的一圈探測(cè)點(diǎn)(如A2~H2)，16個(gè)點(diǎn)構(gòu)成以云臺(tái)為圓心的極坐標(biāo)系，在這16個(gè)位置中進(jìn)行測(cè)試，設(shè)攝像頭初始位置為A1區(qū)域。

圖5 智能云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)攝像頭拍攝視屏部分畫面截圖

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

從測(cè)試過程可以看出此云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)智能控制監(jiān)控?cái)z像，將云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程與人闖入的位置結(jié)合分析得出一些測(cè)試數(shù)據(jù)，表明該云臺(tái)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，轉(zhuǎn)動(dòng)精確，表1所示為測(cè)試中的部分?jǐn)?shù)據(jù)分析，其中一環(huán)表示下標(biāo)為1，離云臺(tái)最近的探測(cè)點(diǎn);二環(huán)表示下標(biāo)為2，離云臺(tái)稍遠(yuǎn)的探測(cè)點(diǎn)，水平代表水平方向，豎直代表上下方向。

表1 云臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

入侵區(qū)域

兩次位置差轉(zhuǎn)動(dòng)角度

一環(huán)二環(huán)水平豎直攝像頭視角中心區(qū)域

轉(zhuǎn)動(dòng)方向水平豎直

無人進(jìn)入000°0°A1——

從H1進(jìn)入7 0315°0°H1正轉(zhuǎn)—

移動(dòng)到A2-7 1315°15°A2反轉(zhuǎn)向上

移動(dòng)到B2 1 045°0°B2正轉(zhuǎn)—

移動(dòng)到B10 -10°15°B1—向下

移動(dòng)到D12 090°0°D1正轉(zhuǎn)—

移動(dòng)到A2-31135°15°A2反轉(zhuǎn)向上

無人進(jìn)入傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，云臺(tái)上的攝像頭停留在初始位置不動(dòng)，當(dāng)人從以云臺(tái)為中心的8個(gè)方向中任意方向進(jìn)入傳感器探測(cè)區(qū)域時(shí)，電機(jī)能帶動(dòng)攝像頭實(shí)現(xiàn)水平左右，豎直上下轉(zhuǎn)動(dòng)，始終使人處在攝像頭視角范圍的中心區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全方位智能追蹤監(jiān)控?cái)z像。

經(jīng)過多次測(cè)試和數(shù)據(jù)分析表明，該智能控制云臺(tái)上電后能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)入正常的工作狀態(tài)且準(zhǔn)確度高，證實(shí)了方案的可行性和可靠性。

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為控制核心，結(jié)合人體紅外傳感器組成的多點(diǎn)信號(hào)采集電路和L298N驅(qū)動(dòng)電路去控制云臺(tái)，對(duì)進(jìn)入設(shè)防區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的入侵者進(jìn)行全方位自動(dòng)追蹤攝像。該云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，且無人時(shí)不工作，很節(jié)能。與現(xiàn)在市面上的高速球形和遠(yuǎn)程控制云臺(tái)相比，該云臺(tái)具有智能方便，運(yùn)行省電節(jié)能，生產(chǎn)成本低，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，利用該方法設(shè)計(jì)的云臺(tái)在經(jīng)過一定的加工處理后在智能控制、監(jiān)控等領(lǐng)域有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文